Onder- en overspanningsbeveiliging (ANSI 27/59) — waarom een generator of motor ook tegen de eigen klemspanning beveiligd moet worden

De gids over terugvermogenbeveiliging (ANSI 32) en de [gids over richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67)](/guides/nen-3140/richtingsafhankelijke-overstroombeveiliging-67-richtingsrelais) behandelen beide beveiligingsfuncties die reageren op de stroom door een meetpunt. Dit artikel behandelt een andere categorie beveiliging, die rechtstreeks op de spanning zelf reageert: onderspanningsbeveiliging (ANSI-code 27) en overspanningsbeveiliging (ANSI-code 59).

Waarom spanningsbeveiliging een andere functie heeft dan overstroombeveiliging

Een overstroombeveiliging beschermt tegen een te hoge stroom, meestal veroorzaakt door een fout of overbelasting elders in het net. Een spanningsbeveiliging beschermt tegen iets anders: een klemspanning die, zonder dat er per se sprake is van een overstroom, buiten het gebied valt waarbinnen aangesloten apparatuur veilig en betrouwbaar kan functioneren. Een generator die parallel aan het net draait, een grote motor, of een railstel dat meerdere gevoelige verbruikers voedt, kan door een spanningsdip of -piek schade oplopen of onbedoeld uitvallen, ook als de stroom op dat moment binnen normale grenzen blijft.

Onderspanningsbeveiliging (27): waartegen het beschermt

Een aanhoudend te lage klemspanning kan verschillende problemen veroorzaken:

• Bij motoren neemt het koppel bij een gegeven belasting af met het kwadraat van de spanning, waardoor een motor bij een aanzienlijke onderspanning kan vastlopen (stall) en vervolgens een sterk verhoogde stroom trekt — zie ook de gids over motorbeveiliging.
• Bij een generator kan een aanhoudende onderspanning duiden op een probleem met de bekrachtiging (excitatie) of op een zware belasting elders in het net die de spanning drukt.
• Een langdurige onderspanning kan ook duiden op een (bijna) verloren netverbinding, waarbij de spanning wegzakt voordat de stroom daadwerkelijk wegvalt.

Een onderspanningsrelais (27) bewaakt de klemspanning en schakelt uit (of stuurt een omschakeling naar een andere bron aan) zodra de spanning gedurende de ingestelde tijdvertraging onder de ingestelde drempel blijft — doorgaans in de orde van 80 % tot 90 % van de nominale spanning, met een tijdvertraging van enkele seconden tot ongeveer tien seconden, afhankelijk van de toepassing.

Overspanningsbeveiliging (59): waartegen het beschermt

Een aanhoudend te hoge klemspanning belast de isolatie van aangesloten apparatuur boven zijn ontwerpwaarde en kan, afhankelijk van de oorzaak, wijzen op:

• Een te hoog ingestelde of falende spanningsregeling van een generator of van een regeltransformator met OLTC.
• Ferranti-effect of een plotseling wegvallende belasting op een lang, licht belast circuit.
• Een ferroresonantie-toestand, zie de gids over ferroresonantie bij een spanningstransformator, waarbij de spanning tot ver boven normale waarden kan oplopen.

Een overspanningsrelais (59) bewaakt de klemspanning aan de bovenkant en schakelt uit zodra de spanning gedurende de ingestelde tijd boven de ingestelde drempel blijft — doorgaans in de orde van 110 % tot 130 % van de nominale spanning. Voor overspanningsbeveiliging wordt vaak een tweetraps-instelling toegepast: een gematigde overspanning met een tijdvertraging van enkele seconden, en een extreme overspanning met een veel kortere, bijna directe uitschakeling om de isolatie van apparatuur te beschermen tegen een snel oplopende, potentieel schadelijke spanning.

Waarom een tijdvertraging nodig is, ook hier

Net als bij terugvermogenbeveiliging (zie de gids over ANSI 32) wordt een spanningsrelais niet ogenblikkelijk toegepast: een kortstondige spanningsdip tijdens het opstarten van een grote motor, of een korte spanningspiek tijdens een schakelhandeling elders in het net, mag niet meteen tot uitschakeling leiden. De tijdvertraging wordt afgestemd op het onderscheid tussen zo'n onschuldige, voorbijgaande gebeurtenis en een werkelijk aanhoudende onder- of overspanning die ingrijpen rechtvaardigt.

Let op: de exacte drempels en tijdvertragingen voor 27/59 volgen uit de systeemstudie van de specifieke generator, motor of verdeelinrichting en de eisen van de netbeheerder (bijvoorbeeld bij aansluiting van decentrale opwekking); dit artikel behandelt het principe, niet een pasklare instellingstabel voor elke toepassing.

Praktische relevantie

Bij de inbedrijfstelling van een generator of een railstel met kritieke verbruikers is het van belang te controleren dat zowel de onder- als de overspanningsbeveiliging daadwerkelijk zijn ingesteld en functioneel getest — het ontbreken van één van beide functies laat de aangesloten apparatuur onbeschermd tegen precies het deel van het spanningsbereik waarvoor die functie bedoeld is.

Veelgemaakte fouten

1. Alleen overstroombeveiliging toepassen en spanningsbeveiliging overslaan — een spanningsprobleem zonder overstroom (bijvoorbeeld een falende spanningsregeling) blijft dan onopgemerkt tot er daadwerkelijk schade ontstaat.
2. Eén enkele, te scherpe drempel instellen voor zowel normale opstartdips als een echte onderspanningsstoring — dit leidt tot onterecht aanspreken bij bijvoorbeeld het starten van een grote motor.
3. De overspanningsbeveiliging niet met een tweetraps-instelling uitvoeren — een enkele, gematigde tijdvertraging beschermt de isolatie onvoldoende tegen een snel oplopende, extreme overspanning.
4. De 27/59-instellingen niet herzien na een wijziging in de netconfiguratie of de aansluiting van nieuwe decentrale opwekking — de normale spanningsbandbreedte van het net kan daardoor verschuiven, waardoor eerder correcte instellingen ongeschikt worden.

Gerelateerd

• Terugvermogenbeveiliging (ANSI 32)
• Richtingsafhankelijke overstroombeveiliging (ANSI 67)
• Frequentiebeveiliging (ANSI 81, ROCOF)
• Ferroresonantie bij een spanningstransformator